Sessile Drop Methode — Optische Bestimmung des Kontaktwinkels

Kontaktwinkel können mit einem optischen Kontaktwinkelmessgerät und Konturanalysesystem bestimmt werden. Dafür wird mit dem in Abbildung 1 skizzierten Versuchsaufbau ein Bild eines Flüssigkeitstropfens, der auf einem Festkörper liegt (Sessile Drop), aufgenommen und über eine Software analysiert. Durch die Auswertung der Grauwerte des aufgenommenen Bildes kann zum einen die sogenannte Basislinie (Kontakt zwischen Tropfen und Festkörper) und zum anderen der Tropfenumriss erkannt werden (vgl. Abbildung 2). Die einfachste Methode zur Ermittlung des rechten und linken Kontaktwinkels ist das Anlegen von Tangenten an den Tropfenumriss an den beiden Schnittpunkten mit der erkannten Basislinie. Neben der Tangentenmethode bietet die SCA 20 Software von DataPhysics Instruments vier weitere automatische Methoden sowie eine manuelle Methode zur Ermittlung des Kontaktwinkels.

Bei den automatischen Methoden werden der Konturlinie zur Anpassung der Tropfenform Gleichungen zugrunde gelegt. Diese beschreiben bei der Höhen/Breitenmethode eine Kreisform, bei der Ellipsenmethode eine Ellipse und bei der Polynommethode ein Polynom höherer Ordnung.

Die vierte, sogenannte Young-Laplace-Methode (vgl. Ausführungen zur Pendant Drop Methode) berücksichtigt im Gegensatz zu den genannten rein mathematisch motivierten Anpassungen, die physikalischen Eigenschaften des Tropfens. Entsprechend müssen hier der Abbildungsmaßstab, die lokale Erdbeschleunigung sowie die Dichten der Flüssigkeit und des umgebenden Mediums bekannt sein.

In der Regel liefert die Young-Laplace-Methode vor allem für größere Kontaktwinkel und große Tropfen die zuverlässigsten Ergebnisse. Zu beachten ist, dass die Young-Laplace-Methode nur einen gemeinsamen Kontaktwinkel für den rechten und den linken Schnittpunkt mit der Basislinie liefert, da bei der Berechnung ein symmetrischer Tropfen vorausgesetzt wird.

Kamera Lichtquelle Tropfen auf einem Festkörper Abbildung 1: Schematischer Aufbau für eine Sessile Drop Messung Abbildung Schematischer Aufbau für eine Sessile Drop Messung Abbildung Kamerabild eines Sessile Drop mit erkannter Basislinie und Tropfenkontur

Abbildung 2: Kamerabild mit erkannter Basislinie und Tropfenkontur